Що таке виробництво водню з морської води? Навіщо стільки уваги? Які технічні труднощі?

Чому успіх пілотного випробування виробництва водню прямим електролізом морської води привернув таку увагу? Наскільки це важко? Які технічні труднощі необхідно подолати, щоб отримати водень електролізом морської води?

01

Виробництво водню з морської води

Виробництво водню шляхом електролізу води вважається дуже важливою технологією отримання зеленого водню. В даний час у комерційній технології електролізу води в якості електроліту використовується прісна вода. Як ми всі знаємо, глобальні ресурси прісної води вкрай обмежені, і широкомасштабне застосування гідроенергії для виробництва водню, безсумнівно, посилює дефіцит ресурсів прісної води. Навпаки, морська вода багата на ресурси, що породжує ідею «виробництва водню з морської води».

На відміну від прісної води, яка становить 96,5% від загального об’єму води на Землі, морська вода має складний склад, що включає понад 90 хімічних речовин і елементів. Велика кількість іонів, мікроорганізмів і частинок, що містяться в морській воді, може призвести до таких проблем, як конкуренція побічних реакцій, інактивація каталізатора та блокування діафрагми під час виробництва водню.

З цією метою технологія виробництва водню з використанням морської води як сировини сформувала два різних маршрути. По-перше, пряме виробництво водню з морської води, тобто на основі природної морської води, в основному виробляється електролізом або фотолізом. По-друге, непряме виробництво водню з морської води полягає в опрісненні та видаленні домішок з морської води, опрісненні морської води з утворенням прісної води високої чистоти, а потім утворення водню.

02

Дві основні переваги

Офшорні платформи для виробництва водню можна використовувати як довготермінове зберігання енергії або виробничі майданчики для тонких хімікатів, що дозволяє тісно інтегрувати зелену енергію з системами хімічного виробництва.

Офшорна платформа для виробництва водню може вирішити проблему споживання далекосяжної морської відновлюваної електроенергії, а використання відновлюваної електроенергії для виробництва водню та зеленого аміаку на місці може стати основним методом застосування далекосяжної морської відновлюваної енергії в майбутнє.

03

Технічна складність

Технічна складність 1: багато домішок у морській воді впливають на виділення водню на катоді

У процесі електролітичної води H2 випадає в осад з катода, для реакції виділення водню на катоді найскладнішою проблемою є те, що в природній морській воді є різні розчинені катіони, такі як Na+, Mg2+, Ca2+ тощо, крім того, є різноманітні бактерії, мікроорганізми та дрібні частинки.

Ці домішки засмічують електрод під час електролізу морської води, а потім отруюють або прискорюють старіння електрода/каталізатора в електролітичній системі, що призводить до низької довговічності.

Технічна складність 2: іони хлориду спричиняють анодну корозію та впливають на реакцію анодного виділення кисню

У процесі електролізу води O2 зазвичай випадає в осад з анода. Однак наявність великої кількості іонів хлориду (Cl-) у морській воді спричинить серйозну корозію матеріалу анода, що призведе до пошкодження електрода та високої напруги, таким чином завершуючи ефективну реакцію виділення кисню. Крім того, висока концентрація іонів хлориду також буде відбуватися в реакції окислення хлору на аноді, займаючи активний центр каталізатора, тим самим знижуючи ефективність реакції виділення кисню на аноді.

Технічна складність 3: Конкуренція між анодною реакцією виділення кисню та реакцією хлорування кисню

У процесі електролізу морської води анод проходитиме дві реакції, а саме: реакцію виділення кисню (OER) і реакцію хлорування кисню (ClOR). Реакція виділення кисню: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23 В (проти RHE)

Реакція окиснення хлору: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71 В (проти RHE)

Можна побачити, що E0 обох подібний, що призведе до конкурентних відносин, що значно обмежує робочу напругу електролізера. Крім того, як реакція ClOR, так і утворення гіпохлориту є реакціями з двома електронами, і реакцію ClOR легше виконати кінетично, ніж реакцію OER з чотирма електронами, тому перенапруга OER зазвичай є вищою, ніж у ClOR.

04

Статус дослідження

В даний час виробництво водню з морської води все ще знаходиться на ранній стадії досліджень і випробувань і все ще стикається з багатьма проблемами, але дослідження і розробки виробництва водню з морської води електролізом досягли певного прогресу. У 2022 році команда академіка Се Хепіна здійснила серйозний оригінальний прорив у галузі прямого виробництва водню з морської води та інноваційно створила новий принцип і технологію прямого виробництва водню з морської води без опріснення, викликаного фазовим переходом і міграцією. Існує багато демонстраційних проектів виробництва водню з морської води в країні та за кордоном, але вони все ще є невеликими пілотними проектами, і більшість із них будуються або пропонуються.

Хоча виробництво водню за допомогою електролізу морської води має пройти довгий шлях від невеликих і пілотних випробувань до остаточного промислового застосування. Однак ми віримо, що на трильйонному рівні водневої енергетики, якщо ця технологія врешті-решт буде застосована, вона залишить найглибші чорнила на шляху «декарбонізації»!